Byrne é descendente de escoceses e irlandeses, nascida em Sydney, na Austrália. Seus pais são Jane, uma administradora de uma escola primária, e Robin Byrne, um estatístico. Ela tem três irmãos mais velhos, George, Alice e Lucy. Ela começou a atuar aos oito anos de idade na Australia Theatre for Young People, e depois se formou na Universidade de Sydney em seu país natal.

Byrne participou de vários filmes de sucesso. Seu principal personagem foi no filme australiano The Goddess of 1967, que lhe rendeu dois importantes prêmios individuas: Melhor Atriz (2000) no Festival de Filmes de Veneza e Melhor Atriz (2002) pela FFCA Awards. Depois, ainda ganhou outros dois prêmios, Melhor Atriz Coadjuvante (2003) por The Rage In Placid Lake e Melhor Atriz Internacional pela série de TV Damages. Ambos os prêmios da AFI Awards.